CN101119134B - 一种控制线路通讯质量的方法 - Google Patents

Abstract

一种控制线路通讯质量的方法，所述的方法包括如下步骤：用户线路调制解调器在迭代注水的过程中传送数据，其传送数据的速率采用降级后的所述的用户线路在所述的迭代注水每次注水循环的过程中确定的数据传输速率。本发明克服现有技术的不足，采用用户线路modem在迭代注水每次注水循环同时传送数据，其传输数据速率对应的比特表项采用根据迭代注水每次注水循环产生的使目标函数w _nb _k ⁿ-λ _ns _k ⁿ值最大的各个子载波TONE的发送功率s _k ⁿ减去因其他线路的噪声增大后的裕量，可以避免在迭代注水的过程中某一条用户线路在发送数据时因其他的用户线路噪声变化导致其工作不稳定的问题。

Description

一种控制线路通讯质量的方法 

技术领域

本发明涉及DSL(数字用户线Digital Subscriber Line)技术，具体来说，涉及到控制线路通讯质量的方法。 

背景技术

数字用户线技术是二种通过电话双绞线，即无屏蔽双绞线(UnshieldedTwist Pair，UTP)进行数据传输的高速传输技术，包括非对称数字用户线(Asymmetrical Digital Subscriber Line，ADSL)，甚高速数字用户线(Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line，VDSL)、基于综合业务数字网(Integrated Services Digital Network，ISDN)的用户数字线(ISDN DigitalSubscriber Line，IDSL)和单线对高速数字用户线(Single-pair High-bit-rateDigital Subscriber Line，SHDSL)等。 

在各种数字用户线技术(xDSL)中，除了IDSL和SHDSL等基带传输的DSL外，采用通带传输的DSL利用频分复用技术使得DSL与传统电话业务(Plain Old Telephone Service，POTS)共存于同一对双绞线上，其中DSL占据高频段，POTS占用4KHz以下基带部分，POTS信号与DSL信号通过分离/整合器(Splitter)进行分离或合并。通带传输的xDSL采用离散多音频调制(Discrete Multi-Tone Modulation，DMT)技术进行调制和解调。 

提供多路DSL接入的系统叫做DSL接入复用器(DSL AccessMultiplexer，DSLAM)，其系统示意图如图1所示。DSLAM120包括用户端收发单元121和分离/整合器122，在上行方向，用户端收发单元121接收来自计算机110的DSL信号并对所收到的信号进行放大处理，将处理后的DSL 信号发送至分离/整合器122；分离/整合器122将来自局端收发单元121的DSL信号和电话终端130的POTS信号进行整合处理；整合后的信号通过多路的UTP 140的传输，由对端的DSLAM 150中的分离/整合器151接收；分离/整合器151将所接收的信号进行分离，将其中的POTS信号发送至公用电话交换网(Public Switched Telephone Network，PSTN)160，将其中的DSL信号发送至DSLAM150的收发单元152，收发单元152再将所收到的信号进行放大处理后发送至网络管理系统(Network Management System，NMS)170。在信号的下行方向，则信号按照与上述相反的顺序进行传输。 

在现有的xDSL标准里，使用BIT(比特)表项和GAIN(增益)表项来表明每个子载波所能承载的比特数和发射功率。Bit swapping(比特交换)技术主要是通过调整这两个表项来达到目的的。 

BIT表项(bit table)如表1所示： 

TONE1	TONE2	TONE3	TONE4	…	TONENSC-1
						b1	b2	b3	b4	…	b NSC-1

                            表1 

其中，每个比特表项b表示xDSL线路上对应的子载波TONE所能承载的比特数目，标准规定每项不能超过15，该比特数目的大小决定了对应子频段的线路速率，调整比特表项的大小，即可改变该子频段的线路速率。(其中的NSC是Number of SubCarrier的简称，为子载波数目。) 

一个BIT表确定一个唯一的线路速率，反之线路速率可以通过多个不同的BIT表项获得，其中就某种前提条件来说，存在唯一一个最优的BIT表。 

GAIN表项(gain table)如表2所示： 

TONE1	TONE2	TONE3	TONE4	…	TONENSC-1
						g1	g2	g3	g4	…	g NSC-1

                            表2 

其中，每个增益表项g表示xDSL线路上对应的子频段TONE的数据发送功率。该功率的大小决定了对应子频段承载的数据量，调整增益表项的大小，即可改变该子频段的数据发送功率。 

因为用户电缆基本上都包含多对(25对或以上)双绞线，在各个双绞线上可能运行了多种不同的业务，各种类型的xDSL同时工作的时候互相之间会产生串扰，其中某些线路会因为这个原因性能急剧下降，当线路比较长时，某些线路根本不能开通任何形式的DSL业务。 

随着xDSL技术使用的频带的提高，串扰(crosstalk)尤其是高频段的串扰问题表现得日益突出。如图2所示，由于xDSL上下行信道采用频分复用，近端串扰(NEXT)对系统的性能不产生太大的危害；但远端串扰(FEXT)会严重影响线路的传输性能。当一捆电缆内有多路用户都要求开通xDSL业务时，会因为远端串扰(FEXT)使一些线路速率低、性能不稳定、甚至不能开通等，最终导致DSLAM的出线率比较低。特别是在CO/RT(中心局/远端模块)混合应用的情况下短线对长线的串扰影响较大，如图3中线路2对线路1的影响要远远大于线路1对线路2的影响。 

在一个采用离散多音频调制(DMT)的N个用户、K个TONE的通信模型中，各个TONE上信号传输可独立地表示为： 

y_k＝H_kx_k+σ_k    公式(1) 

在通常的情况下，每个xDSL调制解调器(modem)的接收端将其它调制解调器对它的干扰作为噪声，则第n个用户第k个tone上可达到的数据速率可用香农信道容量公式计算： 

$b_k^n={\log }_2(1+\frac{{\left|h_k^{n,n}\right|}^2{s}_k^n}{\underset{m\≠n}{\mathrm{\Σ}}{\left|h_k^{n,m}\right|}^2{s}_k^m+{\mathrm{\σ}}_k^n})$ 公式(2) 

其中h_k ^n，n表示第n条线路在第k个子载波上的传输函数；h_k ^n，m表示第m条线路在第k个子载波上对第n条线路的串扰函数；σ_k ⁿ表示第n条线路在第k个子载波上的噪声功率；s_k ⁿ表示第n条线路在第k个子载波上的发送功率。 

由公式(2)可以看出，串扰严重影响了线路的传输容量，通俗的说就是降低了线路速率。 

利用频谱管理研究各种DSL调制技术的频谱特性和各种DSL间的串扰，分别规定他们的功率谱密度(PSD)、发送功率等，达到所谓的频谱兼容。DSM(Dynamic Spectrum Management动态频谱管理)是一种动态管理功率频谱的方法，就是在不违反频谱兼容性的前提下实时的或是周期的调整频谱控制参数，让系统始终工作在最佳的状态。 

具体来说，DSM就是自动调整网络中各个调制解调器上的传输功率来达到消除串扰的目的，即通过调整发射功率使每个调制解调器在达到自身速率最大化和减少对其它调制解调器的串扰影响之间达到一个平衡。 

具体来说，DSM技术包括迭代注水(IWF)、0SB(Optimal Spectrumbalance优化频谱平衡)等方法。 

迭代注水(IWF)方法只考虑s_k ⁿ(第n条用户线路上第k个TONE的发送功率)的变化对第n个用户线上速率的影响，不从优化的角度考虑对其他线路产生的干扰。其目标函数J_k可以写为 $J_k\≅J_k^n=w_n{b}_k^n-{\mathrm{\λ}}_n{s}_k^n,$ 其中w_n和λ_n分别表示第n次循环时比特数和发射功率的权系数，b_k ⁿ表示第n条用户线上第K个TONE承载的比特数。 

现有的迭代注水的流程如图4所示， 

设共有N个用户，每个用户有K个TONE。设置一个初始的取值，如：w_n＝1，λ_n＝1。首先选定一个用户(可以是第一个用户)重复执行以下的循环： 

首先是内循环：对这个用户的每个TONE(k＝1，2，Λ，K)，使用枚举法求出使w_nb_k ⁿ-λ_ns_k ⁿ值最大的s_k ⁿ(k＝1，2，Λ，K)值。每次计算出各个TONE的发送功率后，根据这个发送功率和接收端的噪声可以计算出bit表。当所有的TONE上的发送功率谱已经求出，就更新λ_n值。 

更新λn值的规则是：首先判断所有TONE的发送功率的和(∑_k＝1 ^ks_k ⁿ)是否已经超过发送总功率限制(P_n)，如果没有超过，就按[λ_n+ε(∑_k＝1 ^kb_k ⁿ-R_n ^t arg er)]⁺ 来更新λ_n值，其中P_n ^target表示第n条信道的目标速率；否则就按[λ_n+ε(∑_k＝1 ^ks_k ⁿ-P_n)]⁺来更新λ_n值。 

然后判断更新的λ_n值与上次的λ_n值是否相同，如果不相同则继续执行内循环，直至相同为止，表示已经收敛。内层循环的主要目的是求出目标函数J_k ⁿ 取最大值时对应调制解调器所应发射的功率和对应的可传输的比特数。 

选定第二个用户(可以是第二个用户)重复执行以上的内循环，最终直至所用的用户轮流完成，如果第一次轮流的结果没有收敛，那么继续重复上述的过程直至收敛为止。 

如果共有N个用户，那么N个用户按一定的顺序循环完成内层循环的功能，N个用户不断的循环，最终会达到一个平衡点，这个平衡点就是IWF的一个局部最优解。 

在上述迭代注水过程中，要求各线路按照一定的次序来完成使目标函数最大的功率谱的搜寻功能，也即一次注水过程。如图5所示，可以按照CO1、CO2、CO3至COn的递增顺序，也可以是递减或是其他的任何规定的顺序。如果要按照一定的次序完成那么意味着在实现的过程中需要有一个整体的时序控制电路，来完成实时的时序控制。如果需要控制的CO端在一条线路中，时序电路就是DSLAM内部的控制，但如果需要控制的CO端不在一个 DSLAM里面，那么就必须要提供DSLAM间的接口，使整个实现方法变得非常复杂。 

由于迭代注水中对收敛的过程无法正确预知且收敛的时间比较长，具体与初始值和实际情况关系比较大，因此整个IWF的注水过程目前无法确定需要多长时间，如果在整个迭代注水的过程中，线路不进行正常通讯，那么用户等待的时间比较长。 

在迭代注水的过程中进行正常的通讯存在如下的问题： 

在整个迭代注水尚未完成的情况下，如果某一条线路使用该线路内循环完成后计算出的BIT表项和相应GAIN表项对应的数据传输能力进行通讯的话，由于其他线路还在进行迭代注水的过程，而其他线路的发送功率在迭代注水的过程的不断的发生变化，因而产生的串扰也不断的发生变化。换一句话说，这条线路的信噪比在不断的发生变化，这将导致这条线路工作不稳定。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制线路通讯质量的方法，以解决现有技术中用户线路调制解调器在迭代注水的同时进行通讯时工作不稳定的问题。 

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案： 

一种控制线路通讯质量的方法，所述的方法包括如下步骤： 

a1、根据迭代注水每次注水循环产生的用户线路各个子载波TONE的发送功率确定所述的用户线路的数据传输速率表； 

a2、用户线路调制解调器采用降级的数据传输速率传送数据，所述的降级的数据传输速率为所述的数据传输速率表中的比特表项对应的数据传输速率减去因噪声增加损失的数据传输速率。 

其中步骤a1之前还包括： 

在所述的用户线路完成所述的迭代注水第一次注水循环之前，所述的用户线路调制解调器采用初始化产生的数据传输速率表中的比特表项对应的数据传输速率减去因噪声增加损失的数据传输速率传送数据。 

其中步骤a2还包括： 

所述的用户线路采用迭代注水每次注水循环产生的所述的用户线路各个子载波TONE的发送功率传送数据。 

其中所述的因噪声增加损失的数据传输速率为两个比特对应的值。 

其中步骤a2之后还包括： 

当迭代注水收敛时，所述的用户线路采用所述的迭代注水当前注水循环产生的所述的用户线路各个子载波TONE的发送功率确定所述的用户线路的数据传输速率表； 

所述的用户线路调制解调器采用所述的数据传输速率表中的比特表项对应的传输能力传送数据。 

当所述的因噪声增加损失的数据传输速率趋近零时，所述的迭代注水收敛。 

其中所述的用户线路按照一定的时序轮流循环完成所述的迭代注水的过程。 

其中所述的用户线路独立完成所述的迭代注水的过程。 

本发明克服现有技术的不足，采用用户线路modem在迭代注水每次注水循环同时传送数据，其传输数据速率的比特表项采用根据迭代注水每次注水循环产生的使目标函数w_nb_k ⁿ-λ_ns_k ⁿ值最大的各个子载波TONE的发送功率s_k ⁿ减 去因其他线路的噪声增大后的裕量，可以避免在迭代注水的过程中某一条用户线路在发送数据时因其他的用户线路噪声变化导致其工作不稳定的问题。 

附图说明

图1为xDSL系统示意图； 

图2为xDSL串扰示意图； 

图3为CO/RT混合应用的场景中串扰示意图； 

图4为现有的迭代注水流程图； 

图5为多条用户线路按照一定的时序完成迭代注水示意图； 

图6为本发明实施例流程图。 

具体实施方式

本发明的基本原理是在用户线路在进行迭代注水的内循环(因本发明所述的方案即可适用于各条用户线路按照一定顺序完成迭代注水的过程，也可适用于各条用户线路独立完成迭代注水过程，为与现有技术区别，下文中的用注水循环来指代某一用户线路的内循环)过程中，其modem在迭代注水每次注水循环同时传送数据，其传输数据的比特表采用根据迭代注水每次注水循环产生的使目标函数w_nb_k ⁿ-λ_ns_k ⁿ值最大的各个子载波TONE的发送功率s_k ⁿ减去因其他线路的噪声增大后的裕量，可以避免在迭代注水的过程中有一条用户线路在发送数据时因其他的用户线路噪声变化导致其工作不稳定的问题。 

下面以完成迭代注水过程的功能模块是位于CO端，并且以某一条用户线路的注水循环为例来说明本发明的详细过程。 

当CO和CPE启动后，首先按照相关标准完成握手、初始化等功能直至进入showtime(正常工作)。这里所说的相关标准是指如果CO和CPE支持 ADSL就用ADSL的标准完成上述过程，如果CO和CPE支持VDSL2就用VDSL2的标准完成上述过程。当CO和CPE完成上述过程后，就获得一个Bi(BIT)表、Gi(GAIN)表和各个子载波的噪声等参数。 

本发明实施例所述的迭代注水的实现过程如图6所示： 

1、在迭代注水的同时，用户线路(假设为第一条用户线路)同时传送数据，此时该用户线路的modem使用上述初始化过程获取的Gi表中的表项作为传送数据的各个TONE发送功率，同时使用上述的初始化过程获取的Bi表中的表项减去一个因其他线路的噪声增加的裕量后的值Binew作为传送数据的各个TONE的传输速率； 

与此同时，该用户线路开始迭代注水的注水循环，对这个用户的每个TONE(k＝1，2，Λ，K)，使用枚举法求出使w_nb_k ⁿ-λ_ns_k ⁿ值最大的s_k ⁿ(k＝1，2，Λ，K)值，计算出各个TONE的发送功率后，根据这个发送功率和接收端的噪声可以计算出新的Bi表，同时可得到新的Gi表。 

2、该用户线路的modem使用新的Bi表的表项减去一个因其他线路的噪声增加的裕量后的值Binew作为传送数据的各个TONE的传输速率，使用新的Gi表中的表项作为传送数据的各个TONE发送功率； 

与此同时，该用户线路开始迭代注水的下一次注水循环，根据迭代注水的规则更新λn后，对这个用户的每个TONE(k＝1，2，Λ，K)，使用枚举法求出使w_nb_k ⁿ-λ_ns_k ⁿ值最大的s_k ⁿ(k＝1，2，Λ，K)值，计算出各个TONE的发送功率后，根据这个发送功率和接收端的噪声可以计算出一个新的Bi表，同时可得到一个新的Gi表。 

3、如果迭代注水收敛，则该用户线路的modem使用最近一次注水循环中获取的新的Bi表的表项减去一个因其他线路的噪声增加的裕量后的值Binew作为传送数据的各个TONE的传输速率，使用步骤1中获取的新的Gi 表中的表项作为传送数据的各个TONE发送功率，该用户线路进入正常工作； 

如果迭代注水不收敛，重复步骤2，则该用户线路每进行一次迭代注水注水循环，获取新的Bi和Gi后，该用户线路的modem采用更新的Binew和Gi来完成数据传送。 

以下具体说明怎样判断迭代注水已经收敛和怎样从Bi表计算出Binew表，可以采用下述的两种方案： 

第一种方案：比较前后相邻两次的发射功率方差或者比特数方差 

直接判断收敛条件，如果收敛modem就直接使用Bi表工作，如果不收敛modem就使用Binew表工作。 

如果相邻两次计算出的功率谱的方差比较小或者相邻两次计算出的Bi的方差比较小，则说明已经收敛。 

以Bi的方差为例：设前一次计算出的Bi为B1i，后一次计算出的Bi为B2i，那么这两次Bi表的方差为 

如果这个方差值小于等于1就认为迭代注水已经收敛。为了进一步确认是否收敛，可以计算连续多次(如7次)方差值，当连续多次的方差值满足条件时，再判断迭代注水已经收敛。 

当判断出迭代注水已经收敛后，使用最终的Gi表和Bi表进行正常工作。 

从Bi表计算出Binew表，其中，计算Binew的值可以采用如下的方案：B_inew＝max(B_i-Δ_i)，0)，其中i＝1，2，3，Λ，N。在这里Δi＝2，也可以取小于15的任一个正整数，同时各Δ_i也可以不相同。Δ_i表示在Bi的基础上增加一个裕量，当其他的线路发送功率在迭代注水的过程中发生变化的时候，导致本线路的噪声也发生变化，有可能增大也有可能减小。只要增大的量不大于3×Δ_idB即可满足要求。一般的情况下，有6dB的裕量已经比较足够，所以取Δi＝2。当然也可以取其他的值。 

第二种方案：在从Bi表计算Binew表的过程中判断是否收敛 

不直接判断收敛条件，收敛条件的判断表现在从Bi表计算Binew的过程中。计算出的Binew表根据迭代注水收敛的情况收敛于Bi表。换一句话说就是，当迭代注水收敛时，计算出的Binew表基本等于Bi表。 

这种方法中Binew表的求出也是根据公式B_inew＝max((B_i-Δ_i)，0)计算，所不同的是Δ的取值不是常数，而是一个跟随迭代注水的收敛情况发生变化的一个数。当迭代注水收敛后，所有的Δi值应该趋于零。 

因此这种方法中Binew表可以使用下式求出：B_inew＝max((B_i-Δ_i)，0)， 

其中s1和s2分别为前后两次计算出的发送功率谱。当迭代注水收敛后，前后两次注水量应该基本相同，这样Δi也就基本趋近于零。 

如背景技术中所述，迭代注水的过程是各条用户线路按照一定的顺序轮流完成的，然而根据博弈的理论可以得出，不按照规定的次序来完成注水过程(各条用户线路同时独立完成注水过程)，也同样能达到最终的Nash平衡点，而且使整个迭代过程的收敛速度更快，意味着比上述的有次序方式需要更短的时间就可以完成整个过程。 

本发明所述的技术方案，既可以适用于迭代注水中各条用户线路按照一定的顺序轮流完成迭代注水的过程，也可以适用于各条用户线路不按照规定的次序来完成注水过程。 

Claims (8)

1.一种控制线路通讯质量的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：

a1、根据迭代注水每次注水循环产生的用户线路各个子载波TONE的发送功率确定所述的用户线路的数据传输速率表；

a2、用户线路调制解调器采用降级的数据传输速率传送数据，所述的降级的数据传输速率为所述的数据传输速率表中的比特表项对应的数据传输速率减去因噪声增加损失的数据传输速率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤a1之前还包括：

在所述的用户线路完成所述的迭代注水第一次注水循环之前，所述的用户线路调制解调器采用初始化产生的数据传输速率表中的比特表项对应的数据传输速率减去因噪声增加损失的数据传输速率传送数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤a2还包括：

所述的用户线路采用迭代注水每次注水循环产生的所述的用户线路各个子载波TONE的发送功率传送数据。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的因噪声增加损失的数据传输速率为两个比特对应的值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤a2之后还包括：

当迭代注水收敛时，所述的用户线路采用所述的迭代注水当前注水循环产生的所述的用户线路各个子载波TONE的发送功率确定所述的用户线路的数据传输速率表；

所述的用户线路调制解调器采用所述的数据传输速率表中的比特表项对应的传输能力传送数据。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述的因噪声增加损失的数据传输速率趋近零时，所述的迭代注水收敛。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的用户线路按照一定的时序轮流循环完成所述的迭代注水的过程。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的用户线路独立完成所述的迭代注水的过程。

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